산소 환원 반응 효율 높인 연료전지 촉매 구조 발견
산소 환원 반응 효율 높인 연료전지 촉매 구조 발견
  • 함예솔
  • 승인 2019.06.25 21:45
  • 조회수 853
  • 댓글 0
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뭘 개발했나?

  • UNIST 에너지 및 환경공학부 백종범 교수팀은 산화 환원 반응 효율을 높인 연료전지 촉매 구조를 발견했습니다. 
  • 아연-질소-탄소로 이뤄진 새로운 촉매를 합성하고 이 촉매에서 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성 자리를 찾는 데 성공했습니다. 
  • 이 연구는 <네이처 커뮤니케이션>에 게재됐습니다. 
가능한 전이금속 원자(분홍색)와 탄소(노란색), 질소(파랑색)와의 결합구조 모식도. 출처: UNIST
가능한 전이금속 원자(분홍색)와 탄소(노란색), 질소(파랑색)와의 결합구조 모식도. 출처: UNIST

 

연구배경은?

  • 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지에는 산소환원반응을 돕는 '촉매'가 가장 중요합니다. 
  • 기존에는 값비싼 귀금속 촉매인 백금(Pt)가 쓰였는데 가격은 높고 안정성도 낮아 이를 대체하기 위한 저렴한 전이금속을 이용한 촉매 개발 연구가 활발했습니다.  
  • 기존 촉매연구는 값비싼 백금(Pt)를 대체하는 고효율 전이금속 촉매를 합성하는데 중심을 뒀습니다. 하지만 전이금속 촉매의 정확한 활성 구조를 제시하고 실험적으로 이를 증명하려는 연구는 미비했습니다.
  • 촉매의 정확한 활성 구조를 알게된다면 촉매를 설계하고 구현하는데 근본적인 도움이 될 수 있습니다.  
이론적 계산에 따른 XANES 데이터 (노랑: 탄소, 파랑: 질소, 회색: 아연, 빨강: 산소). 출처:UNIST
이론적 계산에 따른 XANES 데이터 (노랑: 탄소, 파랑: 질소, 회색: 아연, 빨강: 산소). 출처:UNIST

어떻게 조사했나?

  • 연구진은 값싼 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)를 결합해 높은 효율과 안정성을 보이는 새로운 전이금속 촉매(ZnNC)를 합성해냈습니다.  
  • 연구진은 새로운 전이금속 촉매(ZnNC)를 합성한 다음, 분광 분석 장비와 원자 내에 전자가 들어가 있는 모양와 에너지를 계산하는 함수를 이용해 산소환원반응이 잘 일어나도록 도와주는 촉매 구조를 찾아냈습니다. 
  • 연구진이 사용한 분광 분석 장비는 'X-선 흡광 분석기(X-ray Absorption Fine Spectroscopy)'입니다. 이 장비는 X-선을 쪼였을 때 물질 내 전자가 X-선을 흡수하는 모양(spectrum)이 물질마다 다르다는 걸 이용합니다.
  • 참고로, X-선 흡광 분석기는 관찰하는 스펙트럼 영역에 따라 크게 두가지로 나뉠 수 있습니다. 첫째는 흡수단(absorption edge) 근처의 세부 형상 및 에너지 변화를 관찰하는 XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure)방법입니다. 이 방법은 원자의 산화수와 주위 구조에 대한 정보를 제공합니다. 둘째는 흡수단 근처 X-선 에너지보다 더 높은 영역을 관찰하는EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure)방법입니다. 이 방법을 통해 원자간 결합자리, 주변 원자의 종류에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 
  • 연구진은 EXAFS 분석 외에도 XANES 분석법을 추가로 활용해 원자의 종류 뿐 아니라 원자의 결합 구조도 밝혀냈습니다.

 

특이한 점은?

  • 최적화된 촉매 반응 자리가 아연(Zn)원자 하나에 질소(N) 원자 두개가 결합된 Zn-N구조임을 알아냈습니다. 아연 원자와 질소 원자가 1:2 비율로 결합할 때 촉매 활성화 정도가 가장 높다는 걸 발견한 겁니다. 
  • 이 구조의 촉매가 백금(Pt)와 비교해도 산소환원반응 속도가 더 우수하다는 걸 실험을 통해 입증했습니다. 이 실험결과는 이론적인 계산 결과와도 잘 일치했습니다. 

 

이 연구가 왜 중요할까?

백종범 교수. 출처: UNIST
백종범 교수. 출처: UNIST

 

 

"성능을 중시하는 기존 촉매 개발에서 벗어나 촉매의 활성자리를 정확히 규명하는데 초점을 맞춘 연구입니다. 활성 자리 구조를 위주로 촉매를 설계할 수 있기 때문에 촉매 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것입니다"

-백종범 교수-

 

 

 

 


##참고자료##

 

 

 


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